Nat. Synth.:铁催化复杂烯烃的自由基马氏氢-酰胺化反应

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摘要:最近,德国明斯特大学(Universität Münster)Armido Studer课题组报道了一种铁催化烯烃的自由基马氏氢-酰胺化方法。其发展了一种可大规模制备的自由基酰胺试剂,从而促进了具有重要合成价值的氰胺官能团的高效转移。该反应适用范围广泛,可实现

导读

最近,德国明斯特大学(Universität Münster)Armido Studer课题组报道了一种铁催化烯烃的自由基马氏氢-酰胺化方法。其发展了一种可大规模制备的自由基酰胺试剂,从而促进了具有重要合成价值的氰胺官能团的高效转移。该反应适用范围广泛,可实现复杂萜类天然产物的顺式选择性氢-酰胺化过程。重要的是,使用这一策略还可以合成15N标记的胺。相关成果发表在Nat. Synth.上,文章链接DOI:10.1038/s44160-025-00792-w。

(图片来源:Nat. Synth.)

正文

氮原子是各种化学官能团的重要组成部分,包括胺、酰胺和N-杂环化合物等均含有氮原子。因此,其在制药、农药、天然产物、材料和基础化学品等领域起着重要作用。目前,通过还原胺化、N-烷基化和交叉偶联等方法可以有效构建C-N键。而烯烃的氢-酰胺化反应是获得含氮有机化合物的重要替代方法。最近,德国明斯特大学Armido Studer课题组发展了一种铁催化烯烃的自由基氢-酰胺化反应。该反应条件温和,且具有良好的官能团兼容性和底物适用范围,且可兼容一系列复杂天然产物分子(Fig. 1)。

首先,作者以烯烃1a作为模板底物对反应进行了条件优化(Table 1)。实验结果表明,当使用1a (1.0 equiv.), 2o (1.2 equiv.), Fe(dibm)3 (10 mol%), PhSiH3 (3.0 equiv.),在EtOH/DCM (1:1)中室温反应 24 h,可以以83%的产率得到氢-酰胺化产物3a。在得到了最优反应条件后,作者对此氢-酰胺化反应的底物范围进行了考察(Fig. 3)。实验结果表明,一系列不同取代的烯烃均可顺利参与反应,以42-97%的产率得到相应的氢-酰胺化产物3a-3ak。其中一系列复杂药物和天然产物所衍生的烯烃,如L-(–)-carvone、(+)-3-carene、(+)-α-pinene、(–)-β-pinene、(–)-α-cedrene、(+)-aromadendrene、β-citronellol、jasmone、(Z)-9-tricosene、osthole、pentoxifylline、lanosterol、betulinol、estrone、rotenone、naproxen、fenofibrate、diacetone-D-glucose等均可兼容,产率为40-97%,证明了此转化的实用性。

接下来,作者对产物中的氰胺官能团进行了化学转化(Fig. 4)。产物3a可以分别经历水解、氨解、酰基化、(3+2)环加成、加成/环化等过程得到相应的衍生物7-12 (63-98%)(Fig. 4a)。此外,作者还实现了3a与芳基卤化物的C-N偶联,以63%的产率得到相应的偶联产物13(Fig. 4b)。苄溴可以作为N-烷基化试剂应用于铜催化的偶联,以89%的产率制备了相应的N-苄基化酰胺14(Fig. 4c)。重要的是,3g可以通过分子内N-烷基化反应以73%的产率轻松得到N-氰基化哌啶15(Fig. 4d)。在3a经历N-苄基化得到16后,其可以经历与二炔烃的Ir-催化[2+2+2]环加成反应,以95%的产率得到2-氨基吡啶17(Fig. 4e)。最后,作者以3d为起始原料,通过使用光氧还原自由基级联策略,成功通过两步合成了四环产物19(89%;Fig. 4f)。

为了展示该方法在医药化学和过程化学中的应用性,作者以使用(-)-石竹烯氧化物、萘普生、雌酮和非诺贝特衍生物为起始原料进行了更大规模的自由基烯烃氢-官能团化反应实验(Fig. 5a)。对(-)-石竹烯氧化物以2.0 mmol规模进行氢-酰胺化反应,可以以93%的分离产率得到3y,而高的顺式选择性未受影响(>20:1)。同样,其它三种化合物也可以在较大规模下以非常好的产率进行氢-酰胺化反应(3aj、3ah和3al,81-90%)

更令人兴奋的是,作者成功地使用商业可得的Na15NO2(52%),通过两步操作成功制备了15N同位素标记的氢-酰胺化试剂15N-2o,该试剂随后成功用于Fe催化的氢-酰胺化反应实现了复杂天然化合物的15N标记(Fig. 5b)。因此,(-)-石竹烯氧化物很容易转化为同位素标记的酰胺15N-3y,产率为86%,且非对映选择性极高,15N掺入比率极佳(>95%)。类似地,鱼藤酮也可以成功转化为其15N标记的氰酰胺15N-3ai(95%)。该策略突显了在复杂分子骨架中进行精确同位素标记的潜力,为天然产物合成提供了有价值的工具。

为了阐明氢-酰胺化的机理,作者进行了控制实验。当使用α,α-二烯基丙二酸乙二酯在标准条件下与试剂2o反应时,其通过5-exo-环化以71%的产率得到了环化产物21,由此表明了氢-酰胺化过程的自由基性质(Fig. 5c)。接下来,作者进一步研究了试剂2o成功经历氢-酰胺化后的剩余部分。在最优反应条件下,1ae经历自由基氢-官能团化,以86%的产率得到产物3ae,同时生成90%的氨基苯胺22(Fig. 5d)。值得注意的是,氨基苯胺22可以作为试剂2o的制备起始物,表明氢-酰胺化试剂中未转移到烯烃部分可重复使用,进一步提高了此转化的原子经济性。

根据上述实验结果和先前文献报道,作者提出了可能的反应机理(Fig. 5e)。原位生成的铁(III)氢化物首先通过MHAT与烯烃进行区域选择性反应,形成相应的自由基A。这种碳自由基A可以区域选择性地加成到试剂2o上,形成氮自由基B。该反应的区域选择性由立体和电子效应所控制。然后,氮自由基B可能在乙醇存在下被生成的铁(II)物种还原,形成中间体C。同时生成的Fe(III)OEt物种随后可以被还原,重新形成铁(III)氢化物并完成催化循环。反应中会生成化学计量的副产物PhSiH2OEt。作者通过铁催化,与苯硅烷反应进一步还原C中的N-N键得到产物3。作为最终还原性N-N键裂解步骤的副产物,还会生成苯胺22。

总结

Armido Studer课题组利用地球丰产金属铁催化,实现了各种复杂烯烃的自由基Markovnikov型氢-酰胺化反应。该反应是通过精心设计的烷基自由基酰胺试剂实现的。通过调节自由基受体的立体和电子效应表明,易于制备的偶氮化合物2o是理想的自由基酰胺试剂。烯烃氢-官能团化反应可以在温和条件下进行,且具有良好的官能团兼容性和底物适用范围,且对天然产物衍生的烯烃的后期氢-酰胺化也是可行的。重要的是,作者利用商业可得的Na15NO2可以制备相应的15N标记氢-酰胺化试剂,并通过铁催化的自由基氢-酰胺化对复杂烯烃进行后期15N标记。

文献详情:

Iron-catalysed radical Markovnikov hydroamidation of complex alkenesMengjun Huang, Constantin Gabriel Daniliuc Armido Studer*.
Nat. Synth., 2025
https://doi.org/10.1038/s44160-025-00792-w

来源:化学加

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